不怕髒的仿生材料

‧科學人 2008/09/16
蓮花出色的除塵能力，激發出多項自潔及抗菌技術，應用蓮花效應製作出的商品，不管沾上什麼髒污都不怕。


【撰文／佛布茲（Peter Forbes）；翻譯／甘錫安】

重點提要

■荷葉表面的細小突起可使蠟質表面具有極強的排水性，又稱為超疏水性。雨滴很容易在葉面上滾動，並帶去塵土。

■研究人員已開發出人造的自潔材料，其中有些材料是運用「蓮花效應」，有些則運用與之相反的超親水性，以及觸媒化學反應。

■未來的產品可能結合兩種與水親和性有關的特性，或採用可在兩者間互相轉換的材質，藉以控制微流體元件中的液體流動。



(照片提供／科學人)

德國波昂大學的巴斯洛特（Wilhelm Barthlott）發現並開發了「蓮花效應」，他夢想著可自動清潔的曼哈頓城市：只要少許雨水就可洗淨摩天大樓的窗戶和外牆，就像出淤泥而不染的蓮花一樣。另外，他的願景還包括了用新布料製造的帳篷和大營帳，同樣不需人類動手清洗，就可維持清潔。把目標定在未來物品極少需要清洗，甚至不需清洗的科學家，可不只他一個。在日本，科技專家正在開發自動除臭和消毒的表面，可用於浴室和醫院等場所。美國麻省理工學院的魯布納（Michael Rubner）和科恩（Robert Cohen）也在構思類似的技術，來防止浴室的鏡子起霧，以及控制微流體「單晶片檢驗室」（液體可在晶片裡的微通道流動）。目前已經有不怕番茄醬、芥末醬、紅酒和咖啡玷污的襯衫、上衣、裙子和長褲等產品出現。一場自潔表面的革命正在逐步展開。


超疏水性不沾塵埃

自潔材料的故事開始於大自然中聖潔的蓮花（學名為Nelumbo nucifera），這種多年生的水中植物非常亮麗優雅，在印度、緬甸、中國和日本等國的宗教與文化中，扮演著相當重要的角色。蓮花受到崇敬是因為它格外純潔，雖然生長在污濁的水中，但它的葉子會挺出水面，而且似乎永遠不會髒。荷葉上的水珠也顯得特別閃亮，與其他植物相比，雨水更容易洗去荷葉上的塵土。


最後這項特性引起了巴斯洛特的注意，1970年代，掃描式電子顯微鏡的潛力推了他一把。電子顯微鏡於1965年商業化，可提供奈米尺度的清晰影像，在這麼高的放大倍率下，少許灰塵就可能破壞整個畫面，因此必須清潔樣本，但巴斯洛特發現有些植物似乎永遠不需要清洗，其中的佼佼者就是蓮花。


巴斯洛特發現這種效果是源於荷葉表面的兩種特性：葉片的蠟質和分佈在表面的細小突起（大小約數微米）。根據基礎物理學，他知道蠟質可使葉片產生疏水性，在這類材質上，水滴會聚集成珠狀，把與材質接觸的面積縮到最小（請參閱70頁〈蓮花物理學〉）水滴表面與材料表面間的夾角小於30度；而在親水性材質上，水會擴散開來，盡量加大接觸面積，接觸角大於90度。


除此之外，他還發現葉片表面無數的突起可強化這個效應，使蓮花表面成為超疏水性，接觸角超過150度，水在荷葉上會形成幾近球形的水珠，接觸面積極小，水珠在葉面上很容易滾動，就像滾珠軸承一樣。水在突起上就像人躺在釘床上一樣，在突起周圍的空隙中，封在水與葉片表面間的空氣進一步提高了接觸角。1940年代，凱西和巴克斯特首先提出了凱西–巴克斯特方程式（Cassie-Baxter equation），可描述這項效應。


巴斯洛特發現，塵土同樣只會接觸到荷葉的突起頂端，雨水可輕易潤濕塵土，把塵土捲離葉片。微小突起可加強清潔效果，這項發現實在出人意料。一般傳統看法認為，要保持東西乾淨就得維持平滑，我在媽媽的圍裙上也體會到「角落跟縫隙最容易藏污納垢」，但仔細研究蓮花之後卻發現，這種看法並不完全正確。


巴斯洛特最主要的工作是研究植物，雖然他觀察到細小突起是如何維持葉面潔淨，但一開始並未想到這有商業潛力，到了1980年代，他才想到如果能製造出粗糙的蠟質表面，這種人工的蓮花效應將有許多應用。後來，在表面上製作細小突起區域、使表面能夠自潔的構想成為他的專利，並將「蓮花效應」註冊成商標。


把蓮花效應運用在物體上製作超疏水性表面並不容易，疏水性材料的特色就是排斥其他材料，但這種排斥其他東西的材料卻必須附著在物體上。儘管如此，1990年代初，巴斯洛特仍製作出「蜂蜜湯匙」，可讓蜂蜜流下而不會附著在湯匙上，這種湯匙有自製的矽酮表面，在微米尺度下，矽酮表面是凹凸不平的。這個產品終於讓幾家大型化工公司相信這類技術確實可行，他們的研究能力很快就發掘出更多應用。目前最著名的是供建築物使用的StoLotusan外牆漆，1999年由德國的跨國公司Sto AG推出，獲得相當大的好評。「蓮花效應」目前在德國已是眾所周知，2007年10月，《德國經濟週刊》（Wirtschaftswoche）將它列入德國近年來最重要的50項發明之中。


餐廳災難不再出現

只要說到「自動清潔」，許多人就會直覺加上「衣物」兩個字。我們不會常常清理房屋外觀，但會常常洗衣服。經過初步測試後，自潔布料迅速普及，其中以Nano-Care最先開始。


Nano-Care是一種布料表面塗料，由發明家及企業家索恩（David Soane）所開發，目前則由索恩的奈米織品（Nano-Tex）公司生產。想想看水蜜桃表面的絨毛，拿水蜜桃放在水龍頭下沖水，就可看到Nano-Care效應。Nano-Care的「絨毛」是附著在棉線上的細小短毛，這種短毛非常細小（小於荷葉表面突起高度的千分之一），相比之下，棉線就像龐大的樹幹。


奈米織品的主要競爭對手是瑞士的薛勒紡織（Schoeller Textil AG），該公司將這項技術稱為奈米球（NanoSphere）。這項技術是在衣物纖維加上奈米尺度的矽石或聚合物微粒，這些微粒就相當於荷葉表面的突起。


由於出現了許多未經測試就宣稱自己是奈米科技的產品，因此，針對這類新發明的自潔衣物，標準機構已著手制定嚴謹的測試程序。2005年10月，為全球工商業提供測試與認證的德國海恩史坦研究所宣布，奈米球織品是第一款通過全項測試的布料，測試內容包括疏水性，還有布料經過一般洗滌程序、磨損、撕毀後維持效用的能力。在我自己做的測試中，奈米球布料樣品展現了令人驚訝的能力，衣物兇手中最可怕的幾項，如油膩的番茄醬、咖啡、紅酒污漬等，它都不怕。


容易清潔的衣物現在已經相當普遍，但大營帳、遮雨篷和船帆其實才是蓮花效應塗料最大的市場（以銷售金額而論），沒有人真心喜歡清洗這類大型室外用具。